基于51單片機設(shè)計智能避障小車

單片機設(shè)計智能避障小車摘要利用紅外對管檢測黑線與障礙物，并以STC89C51單片機為控制芯片控制電動小汽車的速度及轉(zhuǎn)向，從而實現(xiàn)自動循跡避障的功能。其中小車驅(qū)動由L298N驅(qū)動電路完成，速度由單片機輸出的PWM波控制。本文首先介紹了智能車的發(fā)展前景，接著介紹了該課題設(shè)計構(gòu)想，各模塊電路的選擇及其電路工作原理，最后對該課題的設(shè)計過程進行了總結(jié)與展望并附帶各個模塊的電路原理圖，和本設(shè)計實物圖，及完整的C語言程序。關(guān)鍵詞：智能小車；51單片機；L298N；紅外避障；尋跡行駛abstractUsinginfrareddetectionblackandobstaclestothelineandSTC89C51microcontrollerasthecontrolchiptocontrolthespeedoftheelectriccarandsteering,soastorealizethefunctionofautomatictrackingandobstacleavoidance.WhichthecardrivenbytheL298Ndrivercircuitiscompleted,thespeedofthemicrocontrolleroutputPWMwavecontrol.Thisarticlefirstintroducesthedevelopmentoftheintelligentcarprospect,thenintroducesthedesignidea,thesubjectselectionofeachmodulecircuitandworkingprincipleofthecircuit,thedesignprocessofthesubjectissummarizedandprospectwitheachmodulecircuitprinciplediagram,andtherealfiguredesign,andcompleteClanguageprogram.Keywords:smartcar;51MCU;L298N;infraredobstacleavoidance;trackdriving一、緒論1.1智能小車的意義和作用自第一臺工業(yè)機器人誕生以來，機器人的發(fā)展已經(jīng)遍及機械、電子、冶金、交通、宇航、國防等領(lǐng)域。近年來機器人的智能水平不斷提高，并且迅速地改變著人們的生活方式。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機器人的感覺傳感器種類越來越多，其中視覺傳感器成為自動行走和駕駛的重要部件。視覺的典型應(yīng)用領(lǐng)域為自主式智能導(dǎo)航系統(tǒng)，對于視覺的各種技術(shù)而言圖像處理技術(shù)已相當(dāng)發(fā)達，而基于圖像的理解技術(shù)還很落后，機器視覺需要通過大量的運算也只能識別一些結(jié)構(gòu)化環(huán)境簡單的目標(biāo)。避障控制系統(tǒng)是基于自動導(dǎo)引小車（AVG—auto-guidevehicle）系統(tǒng)，基于它的智能小車實現(xiàn)自動識別路線，判斷并自動避開障礙，選擇正確的行進路線。使用傳感器感知路線和障礙并做出判斷和相應(yīng)的執(zhí)行動作。該智能小車可以作為機器人的典型代表。它可以分為三大組成部分：傳感器檢測部分、執(zhí)行部分、CPU。機器人要實現(xiàn)自動避障功能，還可以擴展循跡等功能，感知導(dǎo)引線和障礙物。可以實現(xiàn)小車自動識別路線，選擇正確的行進路線，并檢測到障礙物自動躲避?；谏鲜鲆螅瑐鞲袡z測部分考慮使用價廉物美的紅外反射式傳感器來充當(dāng)。智能小車的執(zhí)行部分，是由直流電機來充當(dāng)?shù)?，主要控制小車的行進方向和速度。單片機驅(qū)動直流電機一般有兩種方案：第一，勿需占用單片機資源，直接選擇有PWM功能的單片機，這樣可以實現(xiàn)精確調(diào)速；第二，可以由軟件模擬PWM輸出調(diào)制，需要占用單片機資源，難以精確調(diào)速，但單片機型號的選擇余地較大?？紤]到實際情況，本文選擇第二種方案。CPU使用80C51單片機，配合軟件編程實現(xiàn)。二、方案設(shè)計與論證現(xiàn)智能小車發(fā)展很快，從智能玩具到其它各行業(yè)都有實質(zhì)成果。其基本可實現(xiàn)循跡、避障、檢測貼片、尋光入庫、避崖等基本功能，這幾節(jié)的電子設(shè)計大賽智能小車又在向聲控系統(tǒng)發(fā)展。比較出名的飛思卡爾智能小車更是走在前列。我此次的設(shè)計主要實現(xiàn)循跡避障這兩個功能。根據(jù)要求，確定如下方案：在現(xiàn)有玩具電動車的基礎(chǔ)上，加裝光電檢測器，實現(xiàn)對電動車的速度、位置、運行狀況的實時測量，并將測量數(shù)據(jù)傳送至單片機進行處理，然后由單片機根據(jù)所檢測的各種數(shù)據(jù)實現(xiàn)對電動車的智能控制。這種方案能實現(xiàn)對電動車的運動狀態(tài)進行實時控制，控制靈活、可靠，精度高，可滿足對系統(tǒng)的各項要求。2.1主控系統(tǒng)根據(jù)設(shè)計要求，我認(rèn)為此設(shè)計屬于多輸入量的復(fù)雜程序控制問題。據(jù)此，擬電子器件等，使得電機負(fù)擔(dān)較重。為使小車能夠順利啟動，且運動平穩(wěn)，在直流電機和輪車軸之間加裝了三級減速齒輪。電池的安裝：將電池放置在車體的電機前后位置，降低車體重心，提高穩(wěn)定性，同時可增加驅(qū)動輪的抓地力，減小輪子空轉(zhuǎn)所引起的誤差。簡單，而三輪運動系統(tǒng)具備以上特點。2.6電源模塊方案一：采用實驗室有線電源通過穩(wěn)壓芯片供電，其優(yōu)點是可穩(wěn)定的提供5V電壓，但占用資源過大。方案二： 采用8支1.5V電池雙電源分別給單片機與電機供電。所以，我選擇了方案二來實現(xiàn)供電。三、硬件設(shè)計3.1總體設(shè)計設(shè)計一個直流電機小車系統(tǒng)，用L298N驅(qū)動電機，可加減速調(diào)節(jié)；用紅外發(fā)射和接收傳感器控制小車在規(guī)定區(qū)域行走,用紅外傳感器實現(xiàn)壁障，用霍爾傳感器實現(xiàn)薄鐵片的檢測，用光敏電阻實現(xiàn)探測光源。主板設(shè)計框圖如圖3.1。StcStc89c51循跡紅外對管時鐘電路復(fù)位電路報警電路電機驅(qū)動避障紅外對管圖3.1主板設(shè)計框圖3.2驅(qū)動電路電機驅(qū)動一般采用H橋式驅(qū)動電路，L298N內(nèi)部集成了H橋式驅(qū)動電路，從而可以采用L298N電路來驅(qū)動電機。通過單片機給予L298N電路PWM信號來控制小車的速度，起停。其引腳圖如3.2，驅(qū)動原理圖如圖3.3。圖3.2L298N引腳圖圖3.3電機驅(qū)動電路3.3信號檢測模塊在該模塊利用紅外探測法。紅外探測法，即利用紅外線在不同顏色的物理表面具有不同的反射性質(zhì)的特點。在小車行駛過程中不斷地向地面發(fā)射紅外光，當(dāng)紅外光遇到白色地面時發(fā)生漫發(fā)射，反射光被裝在小車上的接收管接收；如果遇到黑線則紅外光被吸收，則小車上的接收管接收不到信號，再通過LM324作比較器來采集高低電平，從而實現(xiàn)信號的檢測。避障亦是此原理。電路圖如圖3.4。市面上有很多紅外傳感器，在這里我選用TCRT5000型光電對管。圖3.4循跡原理圖3.4主控電路本模塊主要是對采集信號進行分析，同時給出PWM波控制電機速度，起停。以及再檢測到障礙報警等作用。其電路圖如圖5。圖3.5主控電路四、軟件設(shè)計4.1主程序框圖啟動循跡啟動循跡是否檢測到停止線停止是否檢測到障礙NY避障YN圖4.1主程序框圖4.2電機驅(qū)動模塊voidgoahead(){s1=1;s2=0;s3=1;s4=0;}voidgoback(){s1=0;s2=1;s3=0;s4=1;}voidturnleft(){s3=1;s4=0;}voidturnright(){s1=1;s2=0;}voidstop(){en1=0;en2=0;}4.3循跡模塊圖4.2循跡框圖程序：voidxunji(){if((left_red==1)&(right_red==1)){en1=1;en2=1;goahead();delay(150);en1=0;en2=0;delay(50);}elseif((left_red==0)&(right_red==1)){en1=0;en2=1; P0_0=!P0_0;turnleft();delay(150);en1=1;en2=0;delay(50);}elseif((left_red==1)&(right_red==0))4.4避障模塊voidbizhang(){en1=1;en2=1;goback();mid_red=0;baojing();goback();for(i=0;i<8;i++){en1=1;en2=1;delay(150);en1=0;en2=0;delay(50);}stop();delay(10);turnleft();for(i=0;i<11;i++){en1=0;en2=1;delay(130); en2=0;delay(50);}stop();delay(10);goahead();for(i=0;i<22;i++){en1=1;en2=1;delay(130);en1=0;en2=0; delay(50);}stop();delay(10);turnright();for(i=0;i<18;i++)五、結(jié)論整個系統(tǒng)的設(shè)計以單片機為核心，利用了多種傳感器，將軟件和硬件相結(jié)合。本系統(tǒng)能實現(xiàn)如下功能：1.自動沿預(yù)設(shè)軌道行駛小車在行駛過程中，能夠自動檢測預(yù)先設(shè)好的軌道，實現(xiàn)直道和弧形軌道的前進。若有偏離，能夠自動糾正，返回到預(yù)設(shè)軌道上來。2.當(dāng)小車探測到前進前方的障礙物時，可以自動報警調(diào)整，躲避障礙物，從無障礙區(qū)通過。小車通過障礙區(qū)后，能夠自動循跡3.自動檢測停車線并自動停車。從運行情況來看循跡的效果比較好，避障的效果不是很好，我認(rèn)為是由于電源不能穩(wěn)定而是的小車的速度不好控制，這也是我這次設(shè)計最大的誤區(qū)，沒有選取穩(wěn)定的電源。我相信如果實驗條件和時間的允許下我肯定能解決這一問題。通過本次設(shè)計我掌握了很多以前不熟練的東西，認(rèn)識了很多以前不熟悉得東西，使我在人生上又進了一步。也認(rèn)識到很多的不足。參考文獻[1]郭惠，吳迅.單片機C語言程序設(shè)計完全自學(xué)手冊[M].電子工業(yè)出版社,2